CN102362163B - 转矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及转矩传感器，其包括两个平行的轴向对置的盘形固定法兰(1，2)，所述固定法兰通过径向内部的力矩传递元件(3)刚性地彼此连接。在此，一个固定法兰(2)构造为测量法兰，该测量法兰在其外固定环面(10)与所述力矩传递元件(3)之间在同轴环绕的区域上具有多个空槽(5，5′)，在所述空槽的外部面(19)或底面(15)上施加剪力接收器(20)。本发明的特征在于，所述空槽(5，5′)通过至少三个测量袋槽构成，所述测量袋槽通过至少三个径向的加强接片(6)彼此隔开。在此，所述测量法兰(2)在其相对于径向外部的固定环面(10)处于径向内部的区域中构造为环绕的闭合的面，利用盖子严密封闭的测量电子装置固定在所述面上。

Description

转矩传感器

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的转矩传感器。

背景技术

在旋转的机器上常常需要在运行期间检测其转矩。为此特别是测量旋转轴的转矩，其中，转矩接收器与所述轴同步回转并且从而永久地测量通过所述轴传递的转矩。为此常常采用配备有转矩测量片的转矩传感器，所述转矩传感器定位在旋转的轴部件之间并且固定在所述轴部件上。转矩接收器为此常常具有环形的固定法兰，所述固定法兰与所述轴的对置法兰螺接。在此常常需要将转矩接收器固定在相对短的轴段中或现存的只能提供少的轴向结构空间的法兰之间。在此，这种固定必须如下地实施，即，使尽可能少的干扰应力或干扰力进入到应变测量体或变形体中，以便确保高的测量精度。

由DE 42 08 522 C2公开了一种结构非常短的转矩传感器，其构造为盘形。这种一件式的转矩接收器包括外环和与所述外环同心的内毂，它们通过四个径向延伸的测量接片彼此连接。在此，所述测量接片具有轴向对置的袋槽形缺口，通过所述缺口在袋槽的底部上留下薄壁的端面，薄膜应变片形式的剪力接收器施加在所述端面上。所述剪力接收器在此在袋槽底上的应变测量体上检测传递的转矩。为了导入和导出待传递的转矩，不仅在内毂中而且在外环中优选开设八个孔，轴端部固定地螺接在所述孔上。因为内毂的固定孔相对紧密地布置在测量接片上，所以通过不同的螺接连接和制造公差也会有干扰性的弯曲应力或其他寄生力作用到测量接片中，它们则会干扰测量结果。

由EP 1 074 826 B1公开了一种转矩传感器，其中，固定区域距离应变测量体相对远。所述转矩传感器一件式地构成并且包含两个轴向对置的固定法兰，所述固定法兰在径向内部的区域中通过短的轴向的力矩传递元件彼此连接。所述力矩传递元件包括朝内闭合的圆柱形外套面和径向朝外指向的轴向接片，在所述轴向接片之间相对于旋转轴线同轴地布置测量袋槽。通过所述测量袋槽产生薄的膜片状的应变区域作为变形体，应变片施加在所述变形体上，所述应变片提供精确的测量信号，所述测量信号与传递的转矩成正比。因为两个固定法兰具有相同大小的直径并且固定孔布置在其外环面上，所以确保几乎不会有干扰性的弯曲应力或其他寄生力在对称地位于固定法兰之间的具有应变片的应变测量体中起作用。但是管形的测量体沿纵向方向布置在两个固定法兰之间，因此这种转矩传感器对于很多应用情况来说结构太长并且因此不能在短的轴区域中采用。

由DE 44 30 503 C1公开了一种在纵向方向上非常短的转矩传感器，其同样具有两个相同大小的旋转对称的固定法兰。所述固定法兰平行地且轴向对置地布置、构造为盘形并且在径向内部通过实心的环形力传递部件彼此焊接。由此这两个固定法兰仅仅通过小的气隙轴向地彼此间隔开。所述两个固定法兰之一在此配备有相对于旋转轴线同轴地环绕的应变测量体，剪力接收器形式的应变片施加在其环形的外端面上。应变测量体在此通过两个轴向对置的同轴环绕的环形槽构成，所述环形槽从构造为测量法兰的固定法兰中加工出。保留在环形槽之间的应变测量体在此径向地布置在环形的外固定部件与内部的力传递部件之间。由于切向力作用在径向上越来越小，因此圆环形的应变测量体部件被构造得从内朝外在其厚度方面均匀地越来越小。因为总转矩必须通过所述圆环形的测量体部件传递，因此其轴向厚度相对大，由此降低了测量灵敏度。同时，通过均匀的环形构成的测量体部件也传递干扰性的弯曲应力或其他寄生力，由此会附加地损害测量精度。

发明内容

因此本发明的任务在于，提供一种结构尽可能短的转矩传感器，改善其灵敏度和测量精度。

所述任务通过权利要求1中给出的发明解决。进一步构型和有利的实施方式在从属权利要求中给出。

本发明具有的优点是，通过同轴环绕地封闭的测量袋槽和加强接片实现转矩传感器的高的抗扭强度。同样，作为应变体或变形体的袋槽底面的壁厚能够以膜片状的厚度实施，从而产生相对薄的弹簧般弹性的应变区，其保证高的测量灵敏度。此外，通过设置在测量袋槽之间的径向加强接片实现高的弯曲刚度和轴向刚度，由此使得干扰力或其他寄生力远离袋槽底面中的变形区，从而能够有利地实现高的测量精度。

本发明此外具有的优点是，通过整侧闭合并且设有加强接片的固定法兰即使在薄的盘形构型的情况下也可以在高抗扭强度的情况下传递大的转矩。同样，通过盘形基体的小材料厚度可实现具有小惯性矩的转矩传感器，该转矩传感器也有利地允许高的测量转速。

在发明构思的一个进一步方案中提出，借助于传统的车削和铣削工作将具有固定法兰的转矩传感器、转矩传递元件以及加强接片和测量袋槽构造为一件式的基体，由此相对于螺接或焊接部件大大改善转矩传感器的滞后特性。因为由此不会出现摩擦和沉降特性，因此持久地确保了保持不变地高的测量精度。

在另一特别的实施方式中提出，测量袋槽轴向对置地布置。这样做的优点是，通过这种对称布置可降低袋槽底面的应变测量区域中的干扰性弯曲应力和寄生的干扰力，由此可改善测量精度。特别是当在对置的测量袋槽中也施加剪力接收器时也可以由此有利地补偿轴向的弯曲应力。

在一个优选的实施方式中提出，测量袋槽虽然对置地布置，但是分别切向错位地布置。由此也在很大程度上无干扰性弯曲应力和寄生干扰力的情况下产生很大程度上对称的应变变化曲线，但是在此对于剪力接收器得到这样的施加面，所述施加面位于袋槽底面的作为袋槽外部面的背面。这特别是在单侧的并且向外指向的袋槽外部面的情况下具有优点的是，施加面不处于凹陷部中，由此可改善可手动实施的应变片施加的精度。

在发明构思的另一特别的实施方式中提出，加强接片沿径向方向朝旋转轴线加宽并且在此同时测量袋槽相应地朝测量轴线缩小。由此，通过所述转矩导入的切向力根据与旋转轴线的距离均匀化，从而有利的是，在保持不变的转矩的情况下在整个测量体面上作用有恒定的剪应变。通过剪力接收器的径向布置，这即使在保持不变地薄的敏感应变测量体的情况下也有利地导致高的测量精度。

为了使歪曲测量值并且寄生的干扰力脱耦，在另一优选的实施方式中在测量法兰的处于外部的端面上在测量法兰外环与同轴环绕地布置的测量袋槽之间开设轴向的环形槽。因为通过固定螺钉的不同拧紧力矩以及固定孔的可能的制造误差可导致干扰性的弯曲应力和寄生力，它们通过所述环绕的环形槽有利地被保持远离测量体面，由此可实现高的测量精度。

本发明的另一特别的实施方式在测量法兰的径向内空间中径向地在外环与旋转轴线之间具有轴向的凹陷部，其优点是，由此可将整个传感器电子装置连同单侧地向着该内空间布置的应变片及其布线严密密封地安装在螺接或焊接上的盖子下面。

在另一特别的布置中还设置有熔融在测量法兰的外圆周上的燕尾形配合部中的天线部件，其连接导线同样从所述外环延伸到所述密封的内空间中。由此有利地提供总体上严密密封的转矩传感器，该转矩传感器由于所述燕尾形配合部也适合于最高每分钟50000转的高测量转速。

附图说明

借助于附图中所示的实施例详细阐述本发明。附图中：

图1是具有轴向单侧布置的测量袋槽的转矩传感器的剖视图，和

图2是具有轴向双侧布置的测量袋槽的转矩传感器的剖视图。

具体实施方式

在附图的图1中以剖视图示出单侧的转矩传感器，其包括两个旋转对称并且轴向对置的盘形固定法兰1、2，所述固定法兰通过环形的力矩传递元件3刚性地彼此连接，其中，在构造为测量法兰2的固定法兰的向外指向的盘面上相对于旋转轴线4径向等间距地设置优选八个缺口5形式的测量袋槽5，在所述测量袋槽的底面15上施加应变片20作为剪力接收器，其中，所述测量袋槽5通过八个径向的加强接片6彼此隔开。

所示的转矩传感器被设置用于测量两个标称转速高达约25000转每分钟的轴-或机器部件之间的高达1kNm的标称转矩的转矩，其中，这种转矩传感器也可以用于100Nm至最少10kNm的标称转矩。在此所述轴-或机器部件为了导入和导出转矩而通过固定法兰上的固定孔8、9与所述两个固定法兰1、2螺接。所述固定孔8、9在此在第一固定法兰1的情况下优选构造为通孔9并且在第二固定法兰2的情况下构造为螺纹孔8，从而使得所述螺接可以从一个轴向侧进行。所述两个固定法兰1、2在此在其径向外部区域上在其轴向厚度方面加强并且由此构造为外环10以及设有所述固定孔8、9。在此，所述外环10优选具有约130至150mm的外直径，其中，所述固定孔8、9关于旋转轴线4对称地分布。

在所述两个固定法兰1、2之间，直到所述力矩传递元件3地将一个径向朝外敞开的约2至10mm的窄间隔槽13铣入基体22中，从而使得所述两个固定法兰1、2平行间隔开地轴向对置。在此，对置的固定法兰1、2在所述间隔槽13内部构造为平坦的槽面14。第二固定法兰2是测量法兰，其在其轴向外侧上设有阶梯状结构，通过所述阶梯状结构形成处于内部的凹陷部11。相对于所述外环10处于径向内部地，所述测量法兰2在内部的盘形元件17中设有比该外环10薄的壁厚，通过所述薄的壁厚将转矩从外环10传递到所述处于径向内部的力矩传递元件3上。在此，优选所述内部的盘形元件17的壁厚为5至10mm就足够并且对于所述两个固定法兰1、2都是这样。

在第一固定法兰1的中央关于所述旋转轴线4对称地加工一个轴向的一直延伸到第二固定法兰2中的盲孔12，通过所述盲孔降低所述基体22的惯性质量。在第二固定法兰、即测量法兰2中，相对于所述外环10处于内部地并且关于旋转轴线4对称地加工圆柱形的轴向凹陷部11，该凹陷部具有约90至110mm的直径和约5至15mm的深度。在该凹陷部11中，关于所述旋转轴线4对称地铣入优选八个约5至10mm深度的测量袋槽5，所述测量袋槽相对于槽面14留下0.2至1mm的均匀厚度并且它们向着轴向外部形成平坦的基面15。

在所述基面15上在此施加剪力接收器20形式的应变片，其中，关于旋转轴线4对称分布地设置至少四个或八个应变片20。所述测量袋槽5在其径向内壁24上具有相对于旋转轴线4直径为约35mm的倒圆部并且在径向外壁25上具有相对于旋转轴线4直径为约45mm的倒圆部，其中，所述测量袋槽5在其长度方面在约40°的角度范围上延伸并且从而围绕旋转轴线4形成环形槽区段26。

在所述测量袋槽5之间保留有加强接片6，它们在其径向内部的初始部处在接片高度优选为约5mm的情况下具有约5mm的接片宽度并且径向地向着外环10均匀缩细到约3mm。通过测量袋槽5的这种造型，在该转矩传感器受转矩载荷时在所述基面15上产生均匀的应变区，所述应变区与到旋转轴线4的距离无关。在此，通过所述加强接片6引起沿旋转方向并且沿轴向方向的加强，从而使得可通过测量袋槽5内部的相对薄的应变区实现高的测量灵敏度。

在所述转矩传感器的一个替代实施方式中，该转矩传感器也可以配备有至少3、4、8、16或最高32个测量袋槽，在所述测量袋槽的底面15上关于所述旋转轴线4对称地以优选90°和45°的角度施加至少四个剪力接收器。在此，特别是所述加强接片6以及作为应变测量体或变形体15的底面厚度的尺寸取决于待传递的标称转矩。所述固定法兰1、2的直径和厚度也取决于预给定的标称转矩，因此在例如100Nm的标称转矩的情况下优选设置约120mm的法兰直径并且在例如10kN的标称转矩的情况下设置约260mm的固定法兰直径，其中，外环厚度约为15至30mm。由此在100Nm至10kNm的标称转矩的情况下得到转矩传感器的约35至65mm的轴向长度，所述转矩传感器结构极短并且因此几乎可以用于任何应用情况。

在前述转矩传感器的一个未示出的实施方式中，测量袋槽5也可以轴向对置地布置，它们分别由它们的剩留的作为应变测量体的底面15彼此隔开。由此得到测量袋槽5的一方面向着槽面14并且另一方面向着凹陷部11指向的开口。优选在此将应变片20施加在向着凹陷部11指向的底面15上，其中，这种实施方式可以被严密地密封。另一方面，也可以施加在向着槽面14指向的对置底面上，由此有利地也可以补偿干扰性的弯曲应力。

为了对应变片20进行分析处理和供电，附加地在凹陷部11中还装入一个未示出的测量电子装置，通过所述测量电子装置将所述剪力接收器20特别是连接至惠斯登电桥，所述惠斯登电桥使测量信号加强、数字化并且调制以进行传递。为此优选将布置在所设置的凹陷部11中的测量电子装置电路利用无力旁路的(未示出的)盖子通过密封的螺钉连接或焊接连接严密地封闭，由此在无湿气并且无尘屑的情况下安装敏感的测量元件。

为了传递测量信号，在测量法兰2的外环10的外圆周上浇注天线16。为了防止与离心力有关的脱落，在此将遥测系统的天线绕组浇注到燕尾槽7中，所述燕尾槽向外变窄。由此，利用前述转矩传感器可以实施最低每分钟25000至50000转的标称转速，而不会由此引起遥测系统的天线绕组的由于离心力导致的脱落。

在通过第一固定法兰1导入转矩时，所述转矩通过所述外环10和所述径向内部的盘形元件17被引导至转矩传递元件3并且从所述该转矩传递元件导入到所述测量法兰2中。在那里，所述转矩被从盘形元件17的处于内部的导入区域通过加强接片6和测量袋槽5的作为应变测量体的底面15传递到测量法兰2的外环10上。在此，通过切向的传递力在所述测量袋槽5的膜片状的底面15中产生至少一个切向应变，所述切向应变通过剪力接收器20检测并且所述切向应变与传递的转矩成比例。借助于惠斯登电桥电路，根据检测到的测量信号得到传递的转矩。据此通过测量电子装置产生经调制的测量信号，所述测量信号通过存在于外环10中的天线线圈16被无接触地传递给固定的分析处理装置，在该分析处理装置中所述测量信号可作为测量值显示或者可被进一步处理例如以便进行调节过程。

在附图的图2中示出转矩传感器的一个有利的实施方式，该转矩传感器基本上由于测量袋槽5的轴向上和切向上彼此错位的布置而与图1的实施例不同。在此，该转矩传感器同样包括基体22，该基体具有两个平行对置布置的固定法兰1、2，所述固定法兰通过环形的力矩传递元件3轴向地彼此连接。在此，作为第二固定法兰2的测量法兰同样具有轴向地从外向内指向的圆柱形凹陷部11，所述凹陷部附加地由轴向引入的卸载槽18与外环10在干扰力方面脱耦。因为在固定法兰1、2与轴端部不均匀地螺接或者在其他轴向弯曲应力载荷的情况下，所述干扰通过所述卸载槽18保持远离所述测量袋槽5的底面15上的弹簧弹性的变形体。

围绕旋转轴线4同轴环绕的测量袋槽或测量袋槽区段相对于卸载槽18布置在径向内部，所述测量袋槽或测量袋槽区段同样通过加强接片6彼此隔开。然而在附图的图2的实施例中，测量袋槽5轴向并且切向交替地彼此错位。在此，八个测量袋槽5轴向地向外指向并且八个测量袋槽5响着间隔槽13轴向敞开地布置。所述测量袋槽5、5′在此包括槽形的圆区段作为环形槽区段26，其相对于旋转轴线4具有预给定的约18°至20°的间隔。其中，测量袋槽之间的加强接片6包括约2°至5°的环形圆区段。但是在此加强接片6的圆区段与测量袋槽5、5′交替并且由此在径向上内部比外部宽。

通过交替地轴向彼此错位的测量袋槽5、5′，切向地在测量袋槽5、5′之间产生相对宽的平坦面区段，它们基本上是轴向对置的袋槽外部面19的袋槽底面15，所述袋槽外部面在两侧用作膜片状弹簧弹性的变形体。因此，构造为剪力接收器的应变片20至少在所述凹陷部11内部施加在袋槽外部面19上。这样做特别是有利的，因为由此可简化并且更精确地实施应变片20的手动施加。

应变片20也可以轴向对置地布置在向着间隔槽13的袋槽外部面19上，但是由此它们不能被相对于外部影响严密地密封。向着间隔槽13指向的测量袋槽5′的铣出有利地通过附加地设置在第一固定法兰1中的进入孔21进行，所述进入孔以预给定的径向间距关于旋转轴线4对称地布置，其中，进入孔的直径至少等于测量袋槽5′的切向延伸尺寸。

通过切向和轴向错位的测量袋槽5、5′不仅简化了应变片20的装配而且也改善了与干扰性夹紧力和弯曲应力的脱耦，因为它们很大程度上被保持远离测量体面。在其他方面，附图的图2中的转矩传感器与图1中的实施例一样。在此，两个基体22一件式地从短的圆形金属棒材中加工出，所述金属棒材优选由不生锈的钢合金制成，所述钢合金具有特别有弹性的延展性能和小的滞后作用。但是所述基体22也可以由铝、钛或其他金属制成。也可以采用相应的构造为表面波共振器或构造为磁阻传感器或磁弹性传感器并且检测变形体上的应变的接收器作为剪力接收器。

Claims (8)

1.转矩传感器，其包括两个平行的轴向对置的盘形固定法兰（1，2），所述固定法兰具有固定孔（8），

-所述固定法兰（1，2）通过径向上处于内部的力矩传递元件（3）刚性地彼此连接，并且通过一个环绕的向外敞开的间隔槽（13）间隔开，其中，

-一个固定法兰（2）构造为测量法兰，

-该测量法兰在其径向外部的固定环面（10）与所述力矩传递元件（3）之间在同轴地环绕的区域上具有至少三个侧向的、向外敞开的测量袋槽（5，5'），

--在所述测量袋槽的底面（15）或轴向对置的袋槽外部面（19）上施加剪力接收器（20），

--所述底面（15）构成一个平坦的闭合的面，所述底面构成一个保持不变地薄的弹簧般弹性的变形体并且

--所述测量袋槽（5，5'）通过加强接片（6）彼此隔开。

2.根据权利要求1的转矩传感器，其特征在于，所述测量袋槽（5，5'）在所述加强接片（6）之间构造为圆形的至少18°至110°的环形槽区段（26），其中，每个加强接片（6）具有在角度方面的环形面区域，所述环形面区域具有至少1.25°至15°的厚度。

3.根据权利要求2的转矩传感器，其特征在于，所述加强接片（6）径向朝外缩细。

4.根据权利要求1的转矩传感器，其特征在于，所述测量袋槽（5，5'）轴向对置指向地被开设在所述测量法兰（2）中。

5.根据权利要求1的转矩传感器，其特征在于，径向地在外环（10）与测量袋槽（5，5'）之间相对于旋转轴线（4）轴向并且同轴地开设至少一个卸载槽（18）。

6.根据权利要求1的转矩传感器，其中所述转矩传感器由一个一件式的圆形金属基体（22）组成。

7.根据权利要求1的转矩传感器，其特征在于，至少所述测量法兰（2）具有圆柱形的轴向的凹陷部（11），在所述外环的内空间中固定有测量电子电路，其中，所述凹陷部（11）能够利用无力旁路地成形上或安置上的盖子严密地封闭。

8.根据权利要求1的转矩传感器，其特征在于，在测量法兰（2）的外环（10）的圆周面中开设环绕的燕尾槽（7），将天线线圈（16）浇注在所述燕尾槽中。

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